基于HCNR201的電壓隔離電路 - 基于HCNR201的電壓采集隔離電路設計

2．2 基于HCNR201的電壓隔離電路
??? HCNR201是美國Agilent公司推出的一款高精度線性光耦，具有低成本、低非線性度(0．01％)、高穩(wěn)定度、頻帶寬(>1 MHz)、設計靈活的優(yōu)點。通過外接不同分立器件，方便實現多種光電隔離轉換電路。HCNR201由高性能發(fā)光二極管LED及具有嚴格比例關系的光電二極管PD1和PD2構成，HCNR201原理圖如圖4所示。LED發(fā)出的光被PD1、PD2接收，其中PD2用于產生輸出電流；PD1用于伺服回授機制上，對發(fā)光LED的導通電流予以補償，改善輸入與輸出電路問的線性和溫度特性。這種結構保證了線性光耦的高穩(wěn)定性和高線性度。

電壓隔離電路如圖5所示。電路實現信號與系統隔離及線性測量雙重功能，主要由HCNR201及運放構成。工作原理：LED、PD1、Q1及運放U1等組成測量電路的輸入部分并形成負反饋，U2、PD2等構成電路的輸出部分；當輸入電壓變化時，在運放U1的作用下，LED電流IF隨著調整；光耦的物理結構決定PD1與LED成線性比例，所以流過PD1的電流IPD1跟隨著輸入電壓變化；又PD2與PD1成嚴格比例關系，同樣IPD2跟隨輸入電壓變化，通過運放U2及電位器R1將IPD2轉換成輸出電壓，最終實現輸出電壓與輸入電壓的精密線性關系。補償電容C1及C2用于改進電路穩(wěn)定性、減小電路輸出噪聲及限制電路的工作帶寬于10 kHz左右內；二極管D1起續(xù)流作用，防止LED完全關斷時過高反壓加在LED兩端。

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2．3 實驗分析
??? 在確定具體的參數后搭建電路，并對該電路進行驗證。前端輸入電壓由微機電源經可變電阻分壓后提供，電路的輸入／輸出電壓經萬用表測量后得出相應數據。隔離前后輸入／輸出電壓的比較如表1所列。

??? 由表1中的數據可以得到通過Matlab繪出的實際圖形。輸入／輸出電壓及其最小二乘擬合直線如圖6所示。其中“口”表示理想狀態(tài)下的數據點，“*”表示實測所對應的數據點，連線是最小二乘法對所測數據進行的擬合直線，該擬合直線的方程為y=0．9969x+0．0091，其最佳斜率為0．9969。
根據相對誤差的定義，即測量的絕對誤差與被測量真值之比乘以100％所得的數值，其定義式為δ=△／L×100％。其中δ為相對誤差(一般用百分數給出)；△為絕對誤差；L為被測量真值。所以得到這組數據的相對誤差的平均值為0．5％。
??? 按照定義，擬合直線的線性度(即非線性誤差)為測量曲線與擬合直線的最大偏差和滿量程輸出的百分比，由Matlab可以得到該電路的非線性誤差為0．02％。
??? 線性光耦HCNR201的理想非線性誤差為0．01％，而實際隔離電路的非線性誤差為0．02％，原因主要有以下幾點：
??? ①電源誤差。實驗過程中隔離前后的供電電源是由兩臺微機電源提供，微機電源本身提供的電壓±15 V是存在偏差的。
??? ②其他器件誤差。組成該隔離電路的器件的非線性度、穩(wěn)定性以及精確度也影響了電路的線性度。
??? ③環(huán)境影響。實驗過程中環(huán)境因素對電路中其他器件的影響，如溫濕度對器件溫漂的影響等。
??? 根據上述原因，改善的措施有：
??? ①供電電源由DC-DC電源模塊來提供，DC-DC具有電源效率高、發(fā)熱量小、輸出電壓穩(wěn)定和紋波小等特點。
??? ②更改組成隔離電路的器件。例如，可以采用精密的OP-97類型的運算放大器，能夠提供pA級的偏置電流和mV級的偏移電壓；另外，根據HCNR201的數據手冊，可以在運算放大器和光電二極管的輸入端用開爾文連接法來連接，以確保電路的精確度。

3 方案改進